CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Electrotecnia. Electricidad


RADIO : Líneas de transmisión - El fenómeno de la radiación

Cavidades resonantes

El resonador de cavidad es el equivalente del circuito sintonizado bobina·condensador para frecuencias de micro ondas. Cualquier espacio cerrado por paredes conductoras tiene una frecuencia resonante para cada tipo (o modo) de configuración de campo que pueda existir dentro del espacio. Es simple pensar en el resonador de cavidad como una sección de guía de onda cuyas dimensiones han sido elegidas de modo tal que puedan mantenerse las ondas estacionarias de una determinada longitud.

Figura. Algunos tipos de cavidades resonantes.

La resonancia se produce siempre que una de las dimensiones de la guía cerrada es un múltiplo integral de media longitud de onda. Como en una guía de onda, pueden existir muchos tipos diferentes de configuraciones de campo o modos, dentro de la misma cavidad, y cada uno de esos modos tiene una longitud de onda particular (o frecuencia) asociada con él. La frecuencia de resonancia más baja asociada con una cavidad particular se denomina modo dominante y es el modo preferido de operación.

Las formas típicas usadas en cavidades resonantes son la caja cuadrada, el cilindro y la esfera, como se ilustra en la figura anterior. Cada una de estas representa un circuito eléctrico sintonizado, con las ventajas sobre los circuitos comunes L-C (a frecuencias de micro ondas) de las pequeñas dimensiones, simplicidad y un Q extremadamente alto, de varios miles. La mayoría de las cavidades pueden ser sintonizadas por medio de discos cortocircuitantes ajustables, plugs, etc., los cuales varían o las dimensiones de la cavidad o el modelo de onda estacionaria. La tabla inferior consigna las longitudes de onda de resonancia (λo) y el Q del prisma cuadrado, ólindro y esfera (ver figura anteriori) para el modo dominante (el más bajo). La longitud de onda de resonancia aumenta directamente con el tamaño del resonador, mientras que el Q es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de onda de resonancia. Las fórmulas para el Q incluyen la profundidad pelicular (δ), la cual está dada por

donde σ = conductividad de las paredes de la cavidad en mhos/metro y la frecuencia es en ciclos/segundos.

Tabla : CARACTERíSTICAS DE LAS CAVIDADES RESONANTES EN MODO DOMINANTE

Para paredes de cobre, con el cual está construido la mayor parte de las cavidades, la profundidad pelicular,

donde f es la frecuencia en c/s.

Calcular la longitud de onda resonante, la frecuencia, y el Q (para paredes de cobre) para el modo dominante de las siguientes cavidades

  1. una esfera de radio 5 cm;
  2. un cubo con a= h = 10 cm;
  3. un cilindro circular con una altura de 10 cm y un radio de 5 cm.

Es evidente que los tres resonadores, siendo de dimensiones similares, tienen frecuencia de resonancia en el rango de 2 kmc y un Q superior a 20.000.

Radiación

El mecanismo por el cual una antena libera energía de RF desde un trasmisor, se llama "radiación". Para hallar radiación, debe haber un cambio de corriente en la antena. El sistema de conversión de energía (antena) debe tener capacidad tanto para líneas de fuerza eléctrica abiertas como confinadas. La línea de trasmisión coaxil es un ejemplo excelente de un portador de energía electromagnética, con sus campos eléctricos y magnéticos confinados.

Si bien la acción que se ilustra en la figura siguiente está muy simplificada y reducida a un tipo particular de antena, el dipolo, la secuencia en que se produce es la misma para todos los tipos. Por conveniencia, sólo se muestran las líneas de fuerza eléctrica. Las líneas de fuerza magnética, se generan simultáneamente y están en ángulo recto con las anteriores. Las líneas de fuerza eléctricas tienen una dirección de avance hacia afuera durante el aumento de voltaje en la alternancia, y tienden a comprimirse en la antena, cuando el voltaje disminuye, pero esto no sucede completamente antes que el voltaje haya cambiado de signo, y vuelven a generarse nuevas líneas de fuerza de dirección diferente que se propagan en el espacio. Es decir, que la energía correspondiente a la corriente y al voltaje que alimenta la antena se mueve hacia el exterior en el espacio asociada inseparablemente a lazos de fuerza magnéticos y eléctricos.

Campos eléctrico y magnético en el espacio libre

La onda electromagnética o radio onda, irradiada en el espacio libre consiste en lazos inseparablemente asociados de campos de fuerza magnética y eléctrica. Esto se llama "campo electromagnético".

Desafortunadamente no hay forma de representar visualmente la energía; lo más que podemos hacer es representar el lugar donde se halla la energía y su dirección de acción. Es costumbre mostrar el campo electromagnético moviéndose en el espacio libre en una forma muy simplificada, suponiendo que el observador "ve" segmentos de campo eléctrico y magnético que lo atraviesan. Éstos aparecen como líneas rectas colocadas en ángulos rectos entre sí. El plano de las líneas de fuerza eléctrica, relativo a la superficie horizontal de la tierra indica la polarización de la radiación.

Figura : Representación de la propagación de la energía electromagnética polarizada horizontalmente .

En la figura, la radiación se halla polarizada horizontalmente, en cuyo caso, las líneas de fuerza mgnéticas son perpendiculares a la tierra. Las ondas polarizadas horizontalmente son radiadas por antenas horizontales. En polarización vertical. las ondas polarizadas verticalmente tienen sus líneas de fuerza eléctrica perpendiculares a la superficie de la tierra, y las líneas de fuerza magnéticas, paralelas a dicha superficie. Los cambios en la dirección de acción de las líneas de fuerza del campo corresponden a cambios de polaridad del voltaje y de la corriente que alimenta la antena. Es de gran significado en la representación del campo electromagnético moviéndose en el espacio libre, el hecho de que las líneas de fuerza magnética y eléctrica sean perpendiculares entre sí en el espacio, pero que se hallan en fase en el tiempo (pasan unas y otras por valores máximos y mínimos al mismo tiempo) . Unas y otras están en ángulo recto respecto de la dirección de avance de la energía.

Propagación de las ondas (velocidad, frecuencia, longitud de onda)

Una radio de onda de un pulso, abandona el generador expandiéndose como una esfera de energía, con su energía distribuída uniformemente o lo largo de la superficie de la esfera:

En el espacio libre, la energía electromagnética tiene una velocidad constante: la velocidad de la luz. Ésta es aproximadamente 300.000.000 de metros por segundo, o más exactamente, 299.744.000 metros por segundo. Cuando se habla de propagación, se supone un punto que es la fuente desde la cual irradia la energía en forma uniforme en todas direcciones, como si se tratara de una esfera cuya superficie la constituye la energía. Dado que la energía que alimenta la antena es una cantidad fija en el tiempo, a medida que esta esfera se agranda, la energía que hay en su superficie es cada vez menor. De acuerdo con la ley geométrica según la cual la superficie de una esfera aumenta con el cuadrado de su radio, la energía en cualquier punto de ésta disminuye inversamente con el cuadrado de la distancia al trasmisor. Si se duplica la distancia, la energía de la señal disminuye hasta una cuarta parte; si se triplica la distancia, disminuye hasta una novena parte.

La frecuencia de la onda irradiada está determinada por la frecuencia de la energía que alimenta la antena. En lo que concierne a la longitud de onda eléctrica de la señal en el espacio libre, el término tiene exactamente el mismo significado que la onda que se mueve a lo largo de una línea de trasmisión, con una sola diferencia: la velocidad de propagación en el espacio libre es 1, mientras que en los otros medios es menor que 1.

Relaciones entre velocidad (V), frecuencia (f) y longitud de onda (λ)  :

(*): Frecuencia en ciclos por segundo.

El frente de onda

Si bien hemos hablado de propagación esférica de las ondas electromagnéticas, un observador colocado en el espacio (o en una antena receptora), vería que las ondas de radio se aproximan como una superficie transversal, o chorro de energía, perpendicular a la dirección de avance. A esto se lo llama "frente de onda". La energía que llega a cualquier punto de recepción lo hace en forma de "frente de onda". Este es considerado como un plano más que como una superficie curva, debido a que una pequeña porción de una esfera de gran radio es, para todo intento y propósito, un plano. El frente de onda consiste en líneas de fuerza magnéticas y eléctricas (lineas E y H), posicionadas perpendicularmente entre sí.

Una onda de radio se expande como un chorro de energía :

 

Si en un determinado instante, las líneas E apuntan hacia la derecha, las líneas H lo harán hacia arriba. Si las líneas E apuntan hacia la izquierda, las H lo hacen hacia abajo. La polarización de la energía irradiada está determinada por el plano de las líneas En el frente de onda; las líneas E horizontales indican una polarización de ese tipo, mientras que la polarización vertical está indicada por esa posición en las líneas E. En cualquiera de los casos, las líneas E son equivalentes a "voltaje en el espacio", las cuales son capaces de inducir una diferencia de potencial sobre un objeto. Los objetos metálicos (antenas) están sujetos a un flujo máximo de corriente debido al voltaje inducido en ellos. Las antenas colocadas horizontalmente están sujetas a grandes diferencias de potencial por las líneas E polarizadas horizontalmente, mientras que las antenas verticales lo están por las líneas E colocadas en el frente de onda.

Propagación

Si bien la propagación toma lugar en todas direcciones a partir de una antena, la distribución de la energía radiada por una antena práctica, no siempre es uniforme en todas las direcciones. La energía abandona la antena en un número de direcciones significativas, que tienen gran influencia en el rendimiento de las comunicaciones. Al mostrar la radiación lo hacemos por medio de flechas y la energía viaja en el espacio por medio de ellas.

Algo de la energía radiada lo hace directamente por encima de la antena, esta se llama "radiación vertical" y es de uso limitado. Otra parte de la energía, las ondas celestes, abandonan la antena con un ángulo relativo a la superficie de la tierra, que las hace avanzar hacia el cielo, y son las más efectivas en comunicaciones a larga distancia. Otra parte de la energía (directa o espacial) , abandona la antena paralela a la superficie de la tierra en espacio comprendido entre 50 y 120 kilómetros. Otra parte, lo hace con un ángulo tal como para chocar con la tierra en varios puntos en un radio de 30 a 120 kilómetros (ondas reflejadas) y ser luego reflejada por ésta. Finalmente, otra parte de la energía viaja a lo largo de la superficie de la tierra, a veces la penetra. Esta radiación toma el nombre de "ondas terrestres" o componente superficial.

La utilidad de estas radiaciones está determinada por numerosos factores. La frecuencia es muy importante. porque determina, entre otras cosas, la extensión hasta la cual son útiles las ondas terrestres; determina también cuáles de las radiaciones que se reflejan en el cielo, pueden retornar a la tierra y cuáles se pierden. (Son importantes también las horas del día y la estación del año.) Determina también la distancia útil de las ondas directas y las reflejadas.

La energía de radio que abandona una antena se identifica en términos de su dirección de avance:

 

Ondas directas, terrestres y reflejadas

En primera aproximación, las ondas terrestres están formadas por tres componentes: componente superficial, que se mueve a lo largo de la superficie de la tierra, con el fondo del frente de onda en contacto con ella, y que induce pequeñas corrientes terrestres; los suelos de mala conductividad, secos y arenosos, tienden a atenuar las corrientes terrestres, limitando el rango de las comunicaciones. Los suelos húmedos y el agua salada son caminos de alta conductividad que ayudan en la propagación, y extienden el rango de comunicaciones.

Las frecuencias más útiles para estas ondas son las de 3 Mc/seg. , si bien la componente superficial es efectiva hasta 30 Mc/seg.

Figura : Comportamiento de los componentes de las ondas terrestres

Cuando la frecuencia de radiación es más alta que 30 Mc/seg. y la distancia de expansión es mayor que 120 kilómetros, la señal que alcanza la antena receptora es una combinación de ondas directas y reflejadas. Hay dos fenómenos característicos en este tipo de recepción. Las ondas directas y reflejadas abandonan la antena trasmisora con la misma fase pero viajan por diferentes caminos hacia la antena receptora. Estos caminos pueden ser de diferente longitud. Debido a que la señal reflejada por la tierra sufre una inversión de fase de 180º al ser reflejada, es concebible que ambas señales pueden sumarse o restarse en la antena receptora. La señal resultante puede ser más fuerte o más débil que cualquiera de las componentes. Variando la altura de la antena puede aumentarse la señal si ésta es débil.

Inversión por la temperatura

La efectividad de la propagación por onda directa y reflejada simultánea depende de las alturas relativas de las antenas trasmisoras y receptoras, esto es, de la habilidad para que "se vean" una a otra. La cantidad de potencia irradiada por la antena trasmisora tiene gran influencia sobre la distancia cubierta. Trasmisores de 1 ó 2 vatios de salida, cubren distancias de alrededor de 1 milla ( 1,609 Km. ) o quizás menos. Usando receptores muy sensibles y con poco ruido, puede extenderse este rango. Una aproximación al horizonte óptico o rango efectivo de trasmisión se obtiene por medio de la ecuación:

Dando a la antena trasmisora una altura de 400 pies ( 121 metros ) por encima de tierra y a la antena receptora 25 pies (7,62 metros), la máxima distancia útil teórica, para comunicaciones, es:

distanc. = 1,41 X ( √400 + √25) = 1,41 X (20 + 5) = 1,41 X 25 = 35,25 millas ( 56729,38 metros)

En ocasiones, la trasmisión de frecuencias por debajo de 30 Mc/seg , se efectúa a distancias muy superiores a las normales (puede llegar a 500 millas - 805 km. - o más) . Esta trasmisión relativamente larga es atribuible a un fenómeno conocido como inversión de la temperatura. En ciertas horas, durante la primavera y el otoño y a veces en verano hay capas de aire caliente y seco a una gran altura, por encima de las capas de aire frío y húmedo. La radiación que normalmente debería pasar sobre las antenas se curva alejándose de ellas y alcanza alturas que se hallan mucho más allá del horizonte óptico visto por la antena trasmisora.

Propagación de las ondas celestes (La ionosfera)

En los primeros días de las comunicaciones por radio, no se comprendían los fenómenos que acompañaban a las comunicaciones en largas distancias. Entonces, dos científicos, Heaviside y Kennelly, sugirieron que por encima de la tierra, y formando parte de nuestra atmósfera, había una capa electrificada de partículas gaseosas que envolvía a la tierra y reflejaba a las ondas de radio hacia ella, a mucha distancia de la antena trasmisora. Ésta se conoce hoy como "capa de Heaviside-Kennelly". Investigaciones posteriores demostraron que no había una sola capa sino varias de ellas, que genéricamente se conocen con el nombre de "ionosfera". En la actualidad se las conoce con las denominaciones D, E, F1 y F2. Estas regiones existen a varias alturas por encima de la tierra, y se mueven, subiendo y bajando, según las horas del día, mes y año.

 

Las regiones F1 y F2 se combinan durante la noche en el invierno, formando una capa única, conocida como "región F", mientras que las regiones D y E, aparentemente desaparecen durante la noche. El estado de ionización es producido por el bombardeo constante de las regiones superiores de nuestra atmósfera por rayos gamma, ultravioleta, electrones, y otras partículas emitidas por el sol, así como por los rayos cósmicos del espacio exterior. Por virtud de la variación de densidad de la atmósfera a diferentes alturas por encima de la tierra, aparecen diferentes grados de ionización durante el día y la noche, en distintas épocas del año. La importancia del cambio de ionización y de la altura de las capas se halla en la forma en que ellas permiten a las radiaciones celestes de cierta frecuencia que penetren en esas zonas y atravesarlas, mientras que otras son refractadas hacia la tierra. A veces se dice que la energía es "reflejada" hacia la tierra.

Angulo de radiación y distancia de salto

La distancia alcanzada por una señal de radio que se refleja en la ionosfera depende del "ángulo de radiación" de la antena trasmisora y de la altura de la región de la ionosfera. El ángulo de radiación es el que forma el centro del frente de onda irradiado hacia el cielo, con una línea que corre paralela a la superficie de la tierra. Cuanto menor es el ángulo de radiación, más grande es la distancia cubierta entre el punto de origen y el punto de retorno a tierra del frente de onda reflejado. El ángulo de radiación de una antena de cualquier frecuencia es una función de la altura de la antena trasmisora, dado que éste disminuye a medida que aumenta la altura.

Es una característica de las ondas reflejadas por la ionosfera, que el punto de retorno más cercano a la tierra se halla a una distancia muy superior a la cubierta por las ondas directas. Por lo tanto hay una zona de silencio entre el lugar en que las ondas directas comienzan a ser inefectivas y el punto en que comienzan a ser detectadas las ondas reflejadas. Esta distancia de salto puede ser de varios cientos de millas, y aumenta al aumentar la frecuencia de la señal. Las distancias largas pueden ser cubiertas también por saltos sucesivos de la señal. Después de ser reflejada hacia la tierra, la señal choca contra el suelo o en la superficie del mar volviendo a la atmósfera donde vuelve a ser reflejada a mayor distancia. Así, una señal emitida en Madrid puede alcanzar Moscú en el primer choque; Seúl en un segundo choque y distancias mayores en reflexiones adicionales. Todas las radiaciones reflejadas hacia la tierra rebotan en ella, pero la energía puede no ser suficiente para ser detectada en el segundo o tercer punto de choque.

 

 

 

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